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一、 液壓破碎錘概述
. 液壓破碎錘及其組成
車載液壓破碎錘可以高效地完成碎石、拆除、公路修補、凍土挖掘、二次破碎等艱苦工作，歐洲和美國的各種車載破碎錘紛紛面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韓國的破碎錘也繼日本之后有了長足的進步，1986年韓國水山重工推出了液壓破碎錘，韓國相繼出現了很多品牌。
破碎錘的沖擊能量的來源還是由以下3種方式提供：第一種由液壓油提供，例如Rammer和Montabert；第二種由氣壓提供，例如日本的破碎錘；第三種也是效果最好的，由液壓、氣壓混合提供，一般液壓占25％、氣壓占75％，如Atlas Copco公司設計、生產的破碎錘。但所有的破碎錘活塞回到原位的力完全是由液壓提供。目前液壓破碎錘已經被廣泛應用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業等工程建設領域。
..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機上改裝的，將液壓挖掘機上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結構包括動力裝置、工作裝置、回轉機構、操縱機構、傳動系統、行走機構和輔助設備等。常用的全回轉式液壓挖掘機的動力裝置、傳動系統的主要部分、回轉機構、輔助設備和駕駛室等都安裝在可回轉的平臺上，通常稱為上部轉臺。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉臺和行走機構等三部分。.
二、工作裝置設計方法
1． 工作裝置傳統設計方法
我國工程機械發展與國外相比相對較晚、較慢，技術水平整體較低。工作裝置的傳統設計方法在設計歷史中起到了主要作用。對于工作裝置的設計方面國內外研究的情況大致是：
(1) 圖解設計法；(2) 基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4) 綜合圖解設計法；(5) 優化設計方法，以上設計方法基本上遵循一般連桿機構的位置綜合原則，側重考慮工作裝置的平移性。對它的工作裝置伸縮性與平移性，平移性與自動放平性，動力性與自動放平性之間的矛盾關系未能綜合分析，只是滿足單個性能的要求，無法達到全局最優?？傊?，這些方法都是基于二維平面上進行的。對于工作裝置干涉問題、運動學、動力學等問題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現出來。
近年來隨著計算機技術的發展，在工作裝置設計上出現了基于虛擬樣機技術的工作裝置設計。例如吉林工業大學、大連理工大學和洛陽拖拉機廠等利用虛擬樣機技術不但研究了工作裝置的運動學、動力學特性，而且對其進行了優化設計，但是它們不是對模型進行了大量的簡化，就是只局限于對剛體情況下工作裝置虛擬樣機的研究。
本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎上，建立工作裝置的虛擬樣機模型，在虛擬環境下模擬物理樣機的運動狀況，快速分析各種設計方案，進行輔助設計、參數化設計和優化設計，幫助設計人員完成以前需經數次物理樣機才能完成的實驗研究。
2． CAX技術及其軟件
由文獻可知，CAX技術是虛擬樣機技術的基礎技術平臺。一般意義的CAX技術主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術及其軟件。
目前，工程設計中常用的CAD軟件有二維和三維軟件之分。其中三維造型軟件比較知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各個三維CAD軟件當前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
本文將采用Pro/ENGINEER wildfire軟件完成液壓破碎錘工作裝置的建模與裝配，建立工作裝置的虛擬樣機并進行不同作業工況下的動態模擬。
所謂CAE即Computer Aided Engineering（計算機輔助工程）是指工程設計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數值分析、結構與過程優化設計、強度與壽命評估、運動及動力學仿真。工程數值分析用來分析確定產品的性能；結構與過程優化設計用來保證產品功能、工藝過程的基礎上，使產品、工藝過程的性能最優；結構強度與壽命評估用來評估產品的精度設計是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運動及動力學仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機進行運動學仿真和動力學仿真。從過程化、實用化技術發展的角度看，CAE的核心技術為有限元技術與虛擬樣機的運動及動力學仿真技術。
目前工程實際中應用較多的CAE軟件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各個軟件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS軟件進行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的仿真研究。
3． 多體動力學理論
多體系統動力學包括多剛體動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運動規律的科學[17]。
多體系統動力學的核心問題是建模和求解問題，其系統研究開始于20世紀60年代。從60年代到80年代，側重于多剛體系統的研究，主要是研究多剛體系統的自動建模和數值求解；到了80年代中期，多剛體系統動力學的研究已經取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩定、更有效的數值求解方法仍然是研究的熱點；80年代之后，多體系統動力學的研究更偏重于多柔體系統動力學，這個領域也正式被稱為計算多體系統動力學，它至今仍然是力學研究中最有活力的分支之一，但已經遠遠地超過一般力學的涵義。多體系統動力學的根本目的是應用計算機技術進行復雜機械系統的動力學分析與仿真。
三、 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
1． 液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的構建流程
本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的建立主導思想是：根據液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進行三維實體建模，通過虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當的約束以及驅動，使之成為一個虛擬機構。其構建流程如圖2-1所示。
圖2-1虛擬樣機的構建流程
2． 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）14-0065-01
為了使自身在市場上立于不敗之地，很多企業都對產品的模式進行了更新，其目的是提高產品的效率及收益。隨著社會的發展和經濟水平的提高，競爭也愈發激烈，除了要減少成本以外，還要提高產品的質量和使用價值。
1 什么是虛擬樣機
所謂的虛擬樣機，指的是產品的多領域數字化模型的集合體，它包含了真實產品的所有特點。運用這種技術，可以對機器的零件進行模擬制造，從而在設計階段提高產品的使用性能和質量。
用這種技術來對機械產品進行設計，對零件、結構、裝配等部分進行分析，使機械產品的設計更加具有直觀性和可視性。
2 基于虛擬樣機技術的機械產品設計與建模方法
2.1 利用CAD軟件建模仿真
在對機械產品進行設計的時候，必須要運用一系列的軟件來對機械零件的設計尺寸進行分析，并且對機械零件開始進行一個一個的建模。這樣就可以得到一個三維的圖片，然后再對零件模型的表面、材質、質量、性能等進行虛擬的設計，從而進行仿真分析。
建模完成以后，再利用三維軟件，將需要調入的零件模型進行裝配，裝配的時候要充分的利用平衡、垂直、重合等。裝配還必須按照順序來進行，比如先裝配部件，然后再將部件模擬裝配成樣機。此外，可以通過運動集成模塊來進行優化設計，這些模塊有很多的優點，比如能夠矯正機械的運行，能夠注意到機械的位置、運行速度、性能是否正常。另外，這些模塊還能夠通過對尺寸的計算，優化整個機械的性能。
2.2 對產品結構件進行分析和仿真
在對機械產品進行設計的過程當中，除了必須要考慮設計中的運動以外，還要考慮所設計的零件是否有一定的承載能力，或者強度和性能是否符合要求。進行了建模以后，因為軟件有一個比較好的接口，因此可以采用這種軟件對機械的各個部分進行強度分析，分析的時候還要計算有限元，這樣才能夠使設計更加的合理。另外還要分析設計要求是否符合機械的使用要求，如果得出的數據證明虛擬樣機的一部分不符合機械使用要求，那么，就只能重新進行修改。同時，這也是一個系統而繁雜的過程。
2.3 對行星架進行分析
行星架是機械的承載構建，如果機械的行星架設計不合理，就會影響到整個機械的使用。同時，行星架也是非常復雜的一部分，很容易出現軸的強度過低，而計算應力又會顯得比較復雜。首先要在軟件中創建幾何模型，其次要導入其中，導入之后可以添加材料信息了，然后要根據裝配體的情況，來設置接觸選項，最后再根據參數來設計網格，施加載荷，并且求出結果。
3 虛擬樣機技術在機械產品設計中的應用
我國對機械產品的設計經歷了很多個歷程，最先開始是二維技術，利用計算機來生成零件，或者是整機的二維圖形，然后是三維技術，最后才是現在的虛擬樣機技術。筆者總結了虛擬樣機技術在機械產品設計中的應用，具體為以下幾點。
3.1 采用ADAMS軟件對運動仿真進行分析
這種方法比較準確可靠，而且還可以使數據無縫連接，但是建模功能卻不好。我國很早就采用ADAMS軟件應用到農業機械當中，最普遍的是用收割機、深耕機。同時，在不同機械系統工作的參數下，油菜物料在清選袋置中的運動規律也不同。
3.2 ADAMS軟件和造型軟件的聯合仿真
這種方法是首先在軟件中建模，然后再把建的模導入ADAMS中，這種方法的建模功能非常的好，而且仿真功能也很強大，但是在導入模型的過程當中，很容易丟失一些信息。20世紀90年代末，運用這種技術設計了播種機，實現了自動化和科學化的播種。此外，這種技術還被運用在馬鈴薯收獲機當中。
3.3 ADAMS和控制系統分析軟件的聯合仿真
機械系統和控制系統是現代機械的主要發展方向，兩者結合可以降低機械設計的復雜性，還能提高機械運動的效率。幾年前，我國通過將ADAMS與控制系統的聯合，研制出了彈性軸軸承系統在徑向正弦載荷作用下的動力學特征。在農業機械方面，還研制出了馬鈴薯聯合收獲機輸送臂，對輸送臂的整個運行進行了分析和研究，提高了其使用性能。
4 虛擬樣機技術的優點
4.1 縮短了產品的設計周期
虛擬樣機技術在傳統機械設計的基礎上進行了改善，從不同角度、不同使用需求出發，縮短了產品的設計周期。此外，還提高了機械運行的性能。
4.2 降低了產品的開發成本
因為機械設計是一項復雜而系統的工作，需要耗費大量的人力、物力、財力，而虛擬樣機技術雖然對計算機軟件、硬件的要求很高，卻降低了機械設計的總體成本。
4.3 提高了零件的設計效率
與傳統的機械設計相比，虛擬樣機技術只需要輸入一個基本模型，便可以導出精確的幾何，對于形狀大致相似的一系列零件，只需要稍微修改一下，就能夠生成新的零件，這樣就提高了零件的設計效率。
5 總結與體會
現在，虛擬樣機在機械設計中的運用越來越廣泛，從過去的二維、三維發展到CAD建模，再到如今的虛擬樣機技術。不但提高了設計效率，還降低了設計成本，整個設計過程也大大的被簡化，使得機械產品本身的操作也變得簡單易懂。
參考文獻
[1]徐海枝.我國虛擬樣機技術應用研究論文計量分析[J].價值工程，2013，32（9）：312-313.
隨著科學技術的迅猛發展以及計算機技術的廣泛應用，設計領域正在進行一場深刻的變革，各種現代設計理論與方法不斷涌現，設計方法更為科學、系統、完善和先進。傳統設計方法已發展成為一門新興的綜合性、交叉性學科——現代設計理論與方法。現代設計理論與方法的廣泛應用，必將為我國的工業生產帶來巨大的經濟效益，對提高我國工業產品的設計質量，縮短設計周期，推動設計工作的現代化、科學化方面將發揮巨大作用。
《現代設計理論與方法》涉及到的內容較多，設計方法種類繁多，而且課時有限，傳統的講解授課模式，教學效果必然是課堂氣氛沉悶，學生感覺枯燥、單調，為此應根據《現代設計理論與方法》課程的特點，積極探討教學方法，分析學生的知識結構，以應用為主導，適可兼并理論，綜合應用多種教學手段，多側面、多角度的向學生展示知識信息。
1.教學模式的探討
1.1傳統設計與現代設計的比較
傳統設計常用的設計方法有理論設計、經驗設計和模型試驗設計，設計過程是利用經驗公式通過大量的手工或計算機計算，對所設計的產品的尺寸參數、性能等計算求解，制作模型樣機，對實物樣機進行試驗分析、研究，有些試驗是破壞性的，當通過試驗發現缺陷時，又要回頭修改設計制作樣機，并再用樣機試驗，只有通過周而復始的設計——試驗——設計過程，產品才能達到設計要求。
現代設計設計方法很多：優化設計、虛擬設計、有限元分析，并行設計，設計過程是利用現代設計手段，輔助計算機應用技術，在各種虛擬環境中真實地模擬產品的各種特性、工作環境，快速分析各種設計方案，進行對實物樣機而言難以進行或根本無法進行的試驗，直到獲得最優的設計。
通過現代設計與傳統設計的比較教學，使學生認識到現代設計的優點和傳統設計的弊端，充分認識現代設計的設計過程、特點，以便更好的理解現代設計，利用現代設計方法進行產品設計開發，增加學習的積極性。
1.2理論教學與應用教學的統一
現代設計理論與方法設計理論復雜，牽扯的內容深，范圍廣，本科生很難理解和接受，所以教學中多利用現有的、成熟的設計實例，介紹其在產品設計中的使用過程、分析方法，同時兼顧設計理論的要點，使學生即會利用設計方法的設計過程、特點，同時明白設計方法的理論及應用，這樣對于設計比較復雜的產品、較深的設計理論，枯燥的設計方法學習使學生能夠用得得心應手，游刃自由。
1.3多媒體觀摩教學
要提高教學質量，還必須進行教學手段的革新。多媒體技術是利用多媒體計算機綜合處理和控制文字、圖形、聲音、圖形、圖像、動畫和活動視頻多種形式的媒體信息，是計算機輔助教學的最佳手段，可以按照教學需要、在諸多媒體元素之間建立起一定的邏輯關系，從而把它們有機的結合并呈現出來，同時完成一系列的人機交互式操作，并在這種交互過程中完成教學目標。
1.4網絡教學
建立網上教學平臺，以瀏覽器為用戶界面，將課程教學文件、教學研究、學術動態及相關信息上網，用于指導學生學習，建立教學論壇，充分利用網絡功能，調動學生的學習積極性，主動性，使師生共同學習，共同進步。
2.實踐教學模式的探討
2.1開設現代設計理論與方法設計綜合設計實驗周
由于學生課堂學習有限，很難做到現代設計理論與應用的綜合試驗訓練，通過開設綜合實驗周，使學生集中一定時間，利用產品現代設計與開發過程，綜合練習、理解掌握現代設計理論與方法的理念、應用和技巧，達到理論與實踐的學習，充分掌握現代設計方法。
2.2現代設計方法與理論課外大賽
采用命題與自主命題的方式，在規定的時間內，要求學生利用現代設計方法完成某個小產品的設計開發、并進行有關的性能分析。通過舉辦現代設計課外作品大賽，一是可以普及推廣現代設計的應用，還可以增加學生利用現代設計理論與方法能力的鍛煉、增強學生的學習積極性，更好地融匯理解學習自己的專業知識。
3.考試模式的探討
現代設計理論與方法的特點，是培養學生利用現代設計的能力，所以考試命題應注重應用能力的培養，考試可采用多種形式，如筆試測驗與產品設計應用大作業綜合訓練的方式進行。
3.1教師命題上機操作
上課教師根據教學的重點，選擇適合的命題，要求學生利用一種現代設計方法，在規定時間內，在計算機上完成產品的現代設計與分析試驗研究；同時為了兼顧更好地、更多地掌握現代設計理論與方法，可以筆試測驗一部分現代設計方法，以更廣泛的掌握理解現代設計理論與方法，即采用實際操作與筆試聯合考核的方式進行。
3.2設計論文
這種測試方法是把設計的內容、要求發給學生，要求學生在一段時間內完成設計，并提交設計分析論文，這種測試方法靈活性強，題目可大可小，也可以因人的能力不同，適合布置設計題目，同時設計題目可以是實際工程上的真題真做，也可以真題假做，學生可以充分發揮能動性，知識性、實用性和趣味性、創造性，在虛擬環境下設計出符合要求的產品，并議論文的形式寫下來，這樣既可以考核學生掌握現代設計理論與方法的掌握，又能鍛煉學生的創新能力。
4.結論
1、引言
機械產品全壽命設計是衡量產品設計水平先進與否的重要指標，現代設計過程迫切需要通過工程分析手段預測產品的結構可靠性。近年來研究人員試圖將虛擬設計思想更多地融人到復雜機械產品的結構可靠性設計中，借助工程分析軟件對計算機中虛擬的產品樣機進行應力分布、疲勞壽命和可靠性設計等，大大提高了可靠性設計水平。
利用國外先進有限元軟件豐富的試驗數據，應用項目組成員進行的42crmo硬齒面齒輪的彎曲疲勞可靠性試驗及資料，提出該硬齒面齒輪的結構可靠性虛擬疲勞設計方法，由虛擬零部件疲勞工作的情況快捷地得到應力一壽命(s一n)曲線，推知其疲勞壽命大樣本，以供可靠性分析設計使用。
2、結構可靠性虛擬疲勞設計方法
2.1結構可靠性虛擬疲勞設計軟件
進行產品零部件結構可靠性虛擬疲勞設計首先需要構造產品虛擬樣機，目前國內外比較成熟實用的樣機幾何造型cad軟件有autocad, pro/e等，同時還有可以進行各種系統仿真分析的多體運動學、動力學軟件adams, simpack等。
目前國際知名的通用有限元工程分析軟件大多可完成對產品結構進行應力分析、疲勞壽命測試及壽命概率分析的功能，目前見長的軟件有ansys,msc/fatigue, msc/nastran，考慮虛擬環境的cfx及fluent。近年來，樣機的運動、動力學及疲勞分析技術正處于逐漸深人和系統化階段，但有許多重要內容要填補，如虛擬環境的融入、幾何造型、動力學、疲勞分析技術的集成及開放式。
2.2疲勞壽命預測方法
多年來人們發展了各種疲勞壽命預測方法，其中名義應力壽命法(s-n法)、局部應變法(e-n法)與基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法，已成為三種經典的疲勞壽命預測方法。
(1)名義應力壽命法(s-n法)
名義應力壽命法通常稱為總壽命法。該方法用于構件總壽命的預測，是以材料或零部件的疲勞壽命曲線為基礎的。該方法可以考慮構件表面加工和表面處理對其疲勞壽命的影響，也可以考慮構件焊縫的疲勞壽命，適用于低應力高周疲勞問題。
(2)局部應變法(e-n法)
局部應變壽命法通常稱為裂紋萌生法。該方法用于預測構件的裂紋萌生壽命。它應用了材料的“記憶特性”，計人了名義應力無法計及的載荷循環順序的影響，使壽命估算結果更接近實際情況，適用于高應變低周疲勞問題。
(3)疲勞裂紋擴展壽命方法
基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法主要用于預測構件從裂紋產生到發生破壞的疲勞壽命。該方法結合模擬材料微觀結構變形的數值方法，是數值模擬斷裂的主要發展方向之一。
3、在硬齒面齒輪彎曲疲勞試驗中的應用
根據項目要求對42crmo材質的硬齒面齒輪進行了彎曲疲勞可靠性全壽命試驗，試驗在機械部機械科學研究院英國產instron1603型電磁諧振疲勞試驗機上進行。采用4級應力水平，即作4組不同應力的輪齒全壽命大樣本試驗，得到了硬齒面齒輪定壽命下的r-s-n曲線(見圖4中實線部分)。本文以此試驗為研究基礎，進行42crmo硬齒面齒輪的結構可靠性虛擬疲勞設計和試驗，得到了虛擬試驗的各應力水平下疲勞壽命數據，即s-n曲線。
3.1三維幾何造型設計
三維cad軟件為構造精準的零部件虛擬幾何造型設計打下軟件基礎。42crmo硬齒面齒輪是斜齒圓柱齒輪按漸開線形成的，為從齒輪的造型機理開始就嚴格遵循漸開線齒面生成和加工機理，應用三維虛擬造型軟件mdi公司的adams能在幾何形體上展成曲面和使曲面扭曲變形的功能，開發出以法平面標準漸開線齒形為基準的斜齒模擬加工過程。
3.2疲勞載荷譜分析
載荷譜是有限壽命設計的依據之一。因此，掌握載荷譜的變化規律是進行壽命設計的先決條件。通常，載荷譜是由現場數據采集并經數據處理與統計分析獲得?，F場采集的載荷時間歷程具有很大的隨機性，并且因現場各種因素如開關信號、電磁干擾等影響，會造成原始信號記錄失真，出現偽信號。齒輪結構所承受的疲勞載荷，實際上是一連續的隨機過程，借助動力學分析軟件adams平臺，可直接給出機械構件在整個裝置工作過程中的疲勞載荷譜f-t曲線(見圖2)，以此作為理論分析和結構可靠性虛擬疲勞設計的基礎。
3.3有限元分析軟件中的應力分析
建立一對輪齒的有限元模型并進行網格劃分，模型主要為六節點五面體單元，單元總數為63359個，節點總數為15213個。這樣有利于單元自動生成，有利于提高計算精度。有限元計算中，齒輪材料的彈性模量為4. 6 x 107mpa，波松比為0.3。
由有限元法(fem)分析計算出隨機動載荷譜下輪齒在嚙合過程中最大動應力齒輪的位置、數值及周期。
3.4基于斷裂力學的疲勞裂紋壽命預測
斷裂力學是在承認裂紋存在的前提下進行疲勞強度計算(即微裂紋形成忽略)，失效判據是裂紋擴展到臨界尺寸時發生疲勞斷裂，應力強度因子幅度可用以下關系表示
對裂紋半長a的積分求出裂紋擴展的應力循環次數，即疲勞壽命。計算n時，應力強度因子幅}k、裂紋初始半長a1、裂紋半長極限值a2由式(1)計出。其中:c為與材料有關的系數，a為幾何效應因子，山為復應力變化范圍。
3.5虛擬試驗結果分析
以實作齒輪試驗的4級應力水平作虛擬疲勞試驗，求得各應力水平下的疲勞壽命數據，這樣可用最小二乘法得出待試驗材料齒輪的s一n曲線。
圖4虛線部分為42crmo材料齒輪采用上述虛擬技術所作的s一n曲線，試驗中取5個壽命水平n= 0.5 x 1護，1.0 x 1護，1.5 x 1護，2.0 x 1護，2.5 x 1護的應力分布。與圖4中實線部分的實作齒輪試驗s一n曲線對比可知，虛擬試驗得到的s一n曲線與實際齒輪高可靠度下的s一n曲線比較接近，有一定的參考價值。
4、結語
您的研究方向：管理
是否有數據處理要求：否
您的國家：北京
您的學校背景：北京理工大學
要求字數：6000 (開題報告)
論文用途：碩士畢業論文
是否需要盲審(博士或碩士生有這個需要)：否
補充要求和說明：先要一個開題報告! 正式畢業論文的要求 學校還沒通知 開題報告要求 見 附件 題目方向是 三維制造工藝 對機加企業(車間) 的影響 或 數字化制造 對機加企業(車間)的影響 (最好是針對航天制造企業)
北京理工大學研究生院工程碩士學位論文開題報告：基于三維模型的工藝對技術對航天制造企業生產效率的影響
一、學位論文選題的目的和意義
1.1 選題背景
進入21世紀,數字化設計制造技術在國際航空制造業新產品研制中發展迅猛,傳統的以模擬量傳遞為基礎的設計制造手段，已經逐漸被以數字量傳遞為基礎的數字化手段所代替,通過全面采用數字化產品定義、數字化預裝配、產品數據管理、并行工程和虛擬制造技術,極大縮短了機型研制周期、提高了產品質量。
二、本選題研究領域歷史、現狀、發展趨勢分析
三、研究方案
四、研究計劃進度表
五、經費預算
六、參考文獻
[1] masuzwa t, fujino m, kobaryashik. wire elctro-discharge grinding for micro-machining [j]. annals of the cirp, 1985, 34(1): 431-434.
[2] yan b h., chung tsai h, yuan huang f. the effect in edm of a dielectric of a urea solution in water on modifying the surface of titanium [j]. international journal of machine tools and manufacture, XX, 45(2): 194-200.
[3] assarzadeh s, ghoreishi m. neural-network-based modeling and optimization of the electro-discharge machining process[j]. XX, 39(5): 488-500.
[4] soni j s. micro-analysis of debris formed during rotary edm of titanium alloy(ti 6a1 4v) and die steel(t 215 cr12)[j]. wear, 1994, 177(1): 71-79.
[5] murti v s r, philip p k. an analysis of the debris in ultrasonic-assisted electrical discharge machining[j]. wear, 1987, 117(2): 241-250.
[6] 馮新明,張固.數字化技術在新支線項目研制中的應用[j].航空制造技術,XX(10):56-59
[7] 中航商用飛機有限公司.arj21數字化樣機實施規定[g].新型渦扇支線飛機項目,XX
[8] 楊璽.基于單一產品數據源的飛機制造信息管理研究[d].北京航空航天大學博士學位論文,XX.
[9] 盧鵲.大型飛機的并行數字化定義技術研究[d].北京:北京航空航天大學,XX.
1.引言
光伏水泵亦稱太陽能水泵，主要由水泵和光伏揚水逆變器組成。具體應用時，再根據日用水量和不同揚程量的需求配以相應功率的光伏陣列，統稱為光伏揚水系統。光伏水泵利用清潔無污染、取之不盡用之不竭的太陽能資源，日出而作，日落而歇，無需電網、無需柴油、無需人員看管，可與滲灌、噴灌、滴灌等灌溉設施配套應用。節水節能，可大幅降低使用化石能源電力的投入成本。是全球“能源問題”、“糧食問題”綜合系統解決方案的新能源、新技術應用產品。
本文設計了一種自動的新型的光伏揚水系統，該系統的驅動電機是采用直流無刷電機，系統選用MicroChip公司所生產的PIC16F877作為光伏水泵系統的主控芯片，對系統硬件和控制軟件進行設計，實現直流無刷電機的反電勢過零檢測，同時實現光伏陣列點的TMPPT跟蹤、系統無人監控和故障檢測等功能。
2.系統硬件設計
2.1 系統構成
光伏水泵系統的結構如圖1所示，系統主要包括四個部分：太陽電池陣列、控制器、電機和水泵。 系統利用光伏陣列將太陽能直接轉變成電能。經過DC/DC升壓后然后經過具有TMPPT功能的變頻器輸出三相交流電壓，從而驅動電機和水泵負載，完成向水塔儲水功能。
圖1 系統結構圖
2.2 系統總體結構及硬件構成
本文所設計的系統總體結構如圖2所示，光伏電池陣列的輸出端與Boost相接，單片機集光伏陣列母線的電壓值和電流值從而做出是否欠壓過流的判斷，采集到的數據如果符合條件，微控制器將根據MPPT算法改變電壓的增量移動方向從而調整PWM信號的占空比。通過調整占空比來驅動DC-DC電路的功率管導通，這一部分完成了最大功率點跟蹤控制。
三相逆變橋電路與最大功率點跟蹤控制的輸出端相連，IR2130組成功率驅動電路，單片機的PWM控制信號通過此驅動電路來控制六個開關管的導通與關斷，使UVW三相交替導通使電機運轉。電機運轉期間不斷地通過三相反電勢過零檢測電路檢測轉子位置，獲得準確的換相信息。所設計的系統保護功能包括打干保護、低日照保護和過流保護。我們知道，根據直流無刷電機的運行原理通過由6只功率管組成的三相六狀態電路的斷開與導通可以控制電機的運轉。而對光伏陣列最大功率點跟蹤而言，則是通過改變DC-DC的占空比D來實現的。
圖2 系統硬件結構框圖
圖3 系統主程序流程圖
3.軟件設計
在本光伏水泵系統中，選用單片機PIC16F877作為系統的主控芯片。系統的軟件部分包括主程序和中斷服務程序，主程序的任務主要是完成系統的初始化、A/D采樣、讀入用戶設置、電機轉速識別及轉速異常保護、PI調節、MPPT或CVT功能等功能。主程序流程圖如圖3所示。
4.總結
論文經過理論設計及硬件制作完成了樣機試制，該樣機的設計采用單片機PIC16F877作為系統的主控芯片。系統采用“虛擬中性點法”，從而解決了無位置傳感器的直流無刷電動機控制的關鍵問題即轉子位置檢測問題。本樣機利用單片機所擁有的豐富的I/O口和A/D采樣功能，采用調節PWM占空比調節電機的轉速以實現最大功率跟蹤功能。樣機還完善了對系統的各種保護功能，提供各種監控功能，這提高了光伏揚水系統的可靠性和靈活性。在實驗中，選用24V，30W的無位置傳感器直流無刷電機，通過實驗證明，直流無刷電機能夠自動切換到自同步運行狀態并實現了實現平穩的步進起動。通過實驗，測量了電子換向逆變器的各種電壓，電機運行性能良好。實驗結果表明，該試制樣機基本上達到設計目標，具有一定的應用價值。
參考文獻
[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].化工工業出版社，2005.
[2] 劉德雨.著《水泵技術問答》[M].水利電力出版社出版，1983.08.
關鍵詞：機械設計；CAD技術
1CAD技術的發展
CAD(ComputerAidedDesign)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。自1950年計算機輔助設計（CAD）技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產品的設計效率飛速地提高?，F已將計算機輔助制造技術（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產品數據管理技術（ProductDataManagement，PDM）及計算機集成制造系統（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產品設計是決定產品命運的研究，也是最重要的環節，產品的設計工作決定著產品75%的成本。目前，CAD系統已由最初的僅具數值計算和圖形處理功能的CAD系統發展成為結合人工智能技術的智能CAD系統（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發展方向，以提高新時代制造業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現代設計技術、智能活動是由設計專家系統完成。這種系統能夠模擬某一領域內專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內的特定問題。該系統把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。
2三維CAD技術在機械設計中的優點
通過實際應用三維CAD系統軟件,筆者體會到三維CAD系統軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優勢,具體表現在以下幾點:
2.1零件設計更加方便
使用三維CAD系統,可以裝配環境中設計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來,使人一目了然。
2.2裝配零件更加直觀
在裝配過程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時候,可清楚地看到內部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示,對于有一定運動行程要求的,可檢驗行程是否達到要求,及時對設計進行更改,避免了產品生產后才發現需要修改甚至報廢。
2.3縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術,機械設計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設計和生產效率。在用三維CAD系統進行新機械的開發設計時,只需對其中部分零部件進行重新設計和制造,而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息,使機械設計的效率提高了3~5倍。同時,三維CAD系統具有高度變型設計能力,能夠通過快速重構,得到一種全新的機械產品。
2.4提高機械產品的技術含量和質量
由于機械產品與信息技術相融合,同時采用CADCIMS組織生產,機械產品設計有了新發展。三維CAD技術采用先進的設計方法,如優化、有限元受力分析、產品的虛擬設計、運動方針和優化設計等,保證了產品的設計質量。同時,大型企業數控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工,一致性很好,保證了產品的質量。
3CAD技術在機械設計中的應用
3.1零件與裝配圖的實體生成
3.1.1零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中,系統提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進行結構分析,將其分解成若干基本體,對基本體進行三維實體造型,之后再對其進行交、并、差等布爾運算,便可得出零件的三維實體模型。
對于有些復雜的零件,往往難以分解成若干個基本體,使組合或分解后產生的基本體過多,導致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”,進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。
3.1.2實體裝配圖的生成。在零件實體構造完成后,利用機器運動分析過程中的資料,在運動的某一位置,按各零件所在的坐標進行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學技術的不斷發展,制造行業的生產技術不斷提高,從普通機床到數控機床和加工中心,從人工設計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業正向數字化和計算機化方向發展。同時,模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現代制造技術。
一個完整的CAD/CAM軟件系統是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數控加工、有限元分析、動態顯示等。這些模塊應以工程數據庫為基礎,進行統一管理,而實體造型是工程數據的主要來源之一。
3.3機械CAE軟件的應用
機械CAE系統的主要功能是:工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學/運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后,才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性等。
4CAD前沿技術與發展趨勢
4.1圖形交互技術
CAD軟件是產品創新的工具,務求易學好用,得心應手。一個友好的、智能化的工作環境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創造性的工作中。因此,智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術也正在研究之中。
4.2智能CAD技術
CAD/CAM系統應用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創造性活動。智能CAD/CAM是發展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫,及時準確地向設計師提品開發所需的知識和幫助,智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設計新手也能做出好的設計來,現代設計的核心是創新設計,人們正試圖把創新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中,用智能設計、智能制造系統去創造性指導解決新產品、新工程和新系統的設計制造,這樣才能使我們的產品、工程和系統有創造性。
4.3虛擬現實技術
虛擬現實技術在CAD中已開始應用,設計人員在虛擬世界中創造新產品,可以從人機工程學角度檢查設計效果,可直接操作模擬對象,檢驗操作是否舒適、方便,及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題,及早看到新產品的外形,從多方面評價所設計的產品.虛擬產品建模就是指建立產品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析,以評價其性能,可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等,基于虛擬樣機的試驗仿真分析,可以在真實產品制造之前發現并解決問題,從而降低產品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態企業聯盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續發展的一個重要方向.另外,隨著協同技術、網絡技術、概念設計面向產品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發展,利用基于網絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術,實現真正的全數字化設計和制造,已成為機械設計制造業的發展趨勢。
參考文獻
[1]黃森彬主編.機械設計基礎.高等教育出版社.
[2]榮涵銳.新編機械設計CAD技術基礎〔M〕.北京:機械工業出版社,2002.
中圖分類號：TH132.41 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，機械領域的虛擬設計技術是利用三維設計軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對機械裝置的零部件進行結構設計、虛擬裝配、運動仿真分析。它是基于計算機輔助設計技術，在虛擬環境中對機械產品進行設計，達到縮短研發周期、減少研發成本的目的。
多用途機械系統傳動實驗臺融鏈傳動、直齒圓柱齒輪傳動、直齒圓錐齒輪傳動、平面連桿傳動，蝸輪蝸桿傳動、絲桿螺母傳動以及齒輪齒條傳動等傳動機構于一體。該實驗臺以學生最為熟悉的課堂作為展示機械系統運動的場景，可以起到趣味性教學的目的，增加學生學習機械專業課程的興趣。敞開式的場景，在不用拆開演示臺的前提下就可以讓學生清楚地觀察到內部傳動機構的運動全過程，操作簡單、比較實用。多個傳動機構集中在一個場景展示，可以使學生系統性地認識不同機構的運動傳遞過程，有助于學生對不同的機構進行區別。
本文基于Pro/E平臺的虛擬設計技術，完成多用途機械系統傳動實驗臺各零件的三維建模設計，虛擬樣機裝配干涉檢查、機構運動仿真分析，在仿真中對結構設計進行優化設計，盡可能降低設計風險，避免實際制造中出現問題，從而使實驗臺一次性制造成功。
1 實驗臺典型零件齒輪的三維建模
通常，在Pro/E中每個零件的三維結構設計過程步驟基本相同，如下：（1）依據各個零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據零件的結構，選擇建模的方法。（3）根據零件的結構，進行草繪，然后利用拉伸、旋轉等特征操作，以完成零件的三維設計。（4）在已建零件模型上進行輔助特征設計，完成零件三維設計，然后保存。
多用途機械系統傳動實驗臺有多個不同類型的零件，三維設計的過程步驟基本相同，本論文只簡單闡述典型零件齒輪的三維設計過程步驟。
直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結構特征組成，創建標準直圓柱齒輪的三維參數化模型。主要操作步驟如下：
（1）創建齒輪設計參數：
在Pro/E軟件的產品參數化設置界面中，輸入齒輪的設計參數及相應的初始值，模數m=2，壓力角alpha=20度，齒根圓直徑df，齒頂圓直徑da，基圓直徑db，分度圓直徑d，齒寬b=30，齒數z=56，如圖1，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
（2）使用Pro/E的草繪功能先繪制基準曲線，后繪制四個尺寸任意的同心圓。
（3）調出Pro/E中各參數之間關系設置的對話框，在其中輸入標準直齒圓柱齒輪的關系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
圖1 齒輪參數對話框
圖2 齒輪關系對話框
（4） 系統進入三維實體模式，單擊【編輯】頡駒偕模型】工具，自動生成滿足一定關系式的齒輪參照圓。
（5）單擊特征工具欄中的【基準曲線】工具，彈出的【曲線選項】菜單，單擊【從方程】―【完成】命令，在工作區選取系統默認的坐標系，單擊對話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設置坐標系類型】菜單中，選擇【笛卡爾】坐標系，輸入形成齒輪漸開線的參數化方程，輸入完畢單擊【記事本】主菜單中的【文件】―【保存】命令，最后單擊【確定】按鈕。即可生成漸開線。
（6）創建鏡像漸開線特征。選取已繪制的齒輪漸開線的特征，選擇軟件中【特征】-【鏡像】命令，選擇基準平面DTM2作為鏡像平面，單擊【確定】按鈕。
（7）先進入草繪平面，選擇齒頂輪廓線，拉伸創建成齒輪基本實體。
（8）創建第一個齒槽特征。先進入草繪平面，再根據漸開線以及齒輪參照圓草繪出齒廓外形，然后對其進行拉伸切除，完成齒槽的創建。
（9）創建齒槽陣列特征。創建齒輪槽，選擇軟件征工具欄中的【陣列】命令，選擇軸陣列選項，輸入陣列個數56個，角度為360?？樿计殷的齿聨?/p>
（10）拉伸切除創建成齒輪軸孔。
（11）拉伸軟件的切除功能畫出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數化設計如圖3所示。
圖3 齒輪參數化設計
2 實驗臺樣機的虛擬裝配
一般說，機械裝置的虛擬裝配是利用三維設計軟件在計算機中，對機械產品的結構進行設計與裝配。多用途機械系統傳動實驗臺主要包括學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個部分。虛擬樣機在裝配時，首先把這5個運動機械傳動機構作為一個組件進行虛擬裝配，然后把這5個運動機械傳動機構裝配成整個實驗臺。
2.1 學生運動機械傳動機構虛擬裝配
學生運動機械傳動機構，主要由電動機、曲柄搖桿機構、連桿限位變形機構，以及固定構件課桌、課椅以及電機支架組成。虛擬裝配如圖4所示。小腿在固定在機架上，小手臂與機架在形成固定鉸鏈，小手臂、大手臂、身軀、大腿、小腿之間通過活動鉸鏈鏈接。電機通過曲柄搖桿機構，帶動五連桿限位變形機構運動，完成學生起立和坐下的動作。
圖4 學生運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.2 教師運動機械傳動機構虛擬裝配
教師運動傳動機構主要由：電動機;由16齒的大鏈輪、8齒的小鏈輪和鏈條組成的鏈傳動機構;齒輪齒條傳動機構;螺距6mm，單頭絲桿螺母傳動機構;限位開關、限位板以及講臺等固定構件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機啟動，通過鏈傳動傳遞給絲桿，絲桿的旋轉運動轉變成螺母的直線運動，通過螺母上的銷軸帶動放置在螺母上的尺寸做直線移動，實現教師木偶人的移動，通過齒輪齒條機構實現教師旋轉90度面向學生的動作。
圖5 教師運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.3 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配
時鐘運動機械傳動機構主要由：電動機;齒數為35的蝸輪蝸桿傳動機構;每級大齒輪齒數45，小齒輪齒數13，模數1.5的二級直齒圓柱齒輪傳動機構以及電動機架、鐘罩和紅外位置探測器等固定構件組成，虛擬裝配如圖6所示。電機啟動，通過蝸輪蝸桿把運動傳遞給二級直齒圓柱齒輪，與蝸輪連接的第一級圓柱齒輪的小齒輪帶動分針轉動，第二級圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動時針轉動。
2.4 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配
教室門運動機械傳動機構主要由：電動機;雙曲柄滑塊機構以及導桿、限位開關、電機機架等固定構件組成，虛擬裝配如圖7所示。電機啟動，帶動雙曲柄滑塊機構中雙曲柄轉動，曲柄通過連桿，帶動教室門在導軌上進行來回往復運動，實現教室門的開關。
圖6 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配圖
圖7 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.5 投影幕布運動機械傳動機構虛擬裝配
投影幕布運動機械傳動機構主要由：電動機，錐齒輪傳動機構組成，虛擬裝配如圖8所示。電機啟動，帶動大圓錐齒輪轉動，通過小圓錐齒輪帶動幕布上下運動。
圖8 投影幕布運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.6 多用途機械系統傳動實驗臺虛擬裝配
多用途機械系統傳動實驗臺虛擬樣機的主體裝配主要是學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個傳動機構之間的裝配。虛擬樣在裝配時，為方便整個樣機的的虛擬裝配，可以把裝置的幾個相關零件組裝成組件，然后再把相關組件裝配在一起構建試實驗臺的整體結構，如圖9所示。
圖9 多用途機械系統傳動實驗臺虛擬裝配圖
3 結束語
多用途機械系統傳動實驗臺的虛擬設計，減少設計物理樣機所需的人力及時間，可以達到降低產品成本，縮短產品生產周期的目的。
基金項目：湖北省高等學校2014年省級大學生創新創業訓練計劃項目《多用途機械系統傳動實驗臺的設計研究》（項目編號：201411654009）、武漢商學院2014年大學生創新創業訓練計劃項目《多用途機械系統傳動實驗臺的設計研究》（項目序號：7）、武漢商學院2014年度教學研究項目《基于學生創新能力培養的課程教學研究―以機械設計基礎課程為例》（項目編號：2014Y013）的階段性研究成果
參考文獻
而今，經過三十載的努力，這種夢想正在逐漸轉變為現實。
孫建華用實際行動詮釋愛國情懷，用不竭的創新精神詮釋著“中國創造”，憑借頑強的毅力，終于獲得生物感應傳感器基礎理論研究、軟硬件開發、系列產品定型設計及工程應用的成果，并完成了專利技術到市場應用的商業轉化。不僅打破傳統觸摸式報警產品的技術缺陷，更是填補了全球生物感應智能報警技術的空白。他為推動世界安全防范技術由傳統技術向生物感應智能化傳感技術發展的變革作出了重要貢獻，被譽為全球生物感應技術的“第一人”。
生物感應技術的發明成功，無疑將是劃時代的成果，它突破了國際入侵報警技術領域，漏報、誤報的技術瓶頸，并帶來安全防范技術（如生物感應介質與普通塑鋼門窗融合實現智能塑鋼門窗）等的變革，將徹底改變傳統安全防范技術的設計理念，一張紙、一根繩、一個坐墊、一個錢包，都可能是您想要的安防產品，使國際社會人們對安全的需求觸手可及。
為理想而奮斗
蘇格拉底曾說過，“世界上最快樂的事，莫過于為理想而奮斗?！?/p>
多年來，孫建華用堅持不懈、務實創新來追求他的科技創新之夢，實現了一個工人發明家的夢想。
上世紀70年代，高中畢業的孫建華作為知青下鄉，招工到中國工程物理研究院從事廣播電視設備維護工作。在工作中，他發現人體在接觸電視機天線時會產生圖像變化和噪聲，同樣在觸摸收音機天線時也會產生類似的現象，而非生物接觸天線時則沒有影響。
這一常見的現象，讓孫建華對探索生物感應現象產生了濃厚的興趣，萌發了“利用人體生物感應現象研究可以區別生物與非生物報警技術的念頭”。他開始利用業余時間，自修大學專業理論和有關電子學基礎知識。無廠房，就把家里當成實驗室；缺設備，就東拼西湊買二手的儀器；無團隊，就一個人堅持。孫建華傾其所有，致力于生物感應發明技術的研究、試驗等工作，經過二十多年的努力，他終于在家庭實驗室內完成了生物感應報警技術原理研究和樣機試驗，于2001年申請發明專利，2004年獲得了國家專利局授權。
相比傳統的接觸式報警，生物感應技術采用感應介質產生空間弱電場形成的“虛擬屏障”非接觸感應人體報警，對人體各種入侵方式100%響應，具有不漏報、防破壞、不可破解的技術特征。此外，采取生物甄別和環境自適應技術，具有區別小動物、非生物和自然氣候的功能，不僅極大地降低了誤報的可能性，在戶外各種氣候環境下也能穩定工作。
目前，入侵報警安防產品存在漏報、誤報的技術缺陷一直是世界性的難題。隨著生物感應技術的成功研發，不僅突破了國際入侵報警技術領域，漏報、誤報的技術瓶頸，并帶來安全防范技術的變革。
2001年，他先后入選《中國專家人名辭典》、《中國專家學者辭典》、《中國專利發明人大全》。在平凡的工人崗位，他先后獲得中國工程物理院第一屆青年科技論文報告會“優秀論文獎”；中國工程物理研究院核物理與化學研究所科技論文報告會“優秀論文獎”；1998年至1999年期間，參與研制臭氧發生器及實驗研究工作，獲得中國工程物理研究院環保工程研究中心科技論文報告會“優秀論文獎?！?/p>
探索產業化發展路徑
孫建華發明的生物感應傳感器研究和產品應用走在世界安全防范技術領域的前列，開創了生物安防智能報警技術的變革。
2002年孫建華得到綿陽市游仙區政府10萬元科技資金的無償支持，創辦了四川省綿陽市安防科技有限公司，專業從事生物感應報警技術應用探索與產品開發。
面對國內外市場應用中的空白，孫建華再次帶團隊進行了研發。要實現生物感應安全防范報警技術的應用，首先需要研發在安全防范技術領域的實用產品，但在產品研發和市場應用初期，公司面臨國內外無先例、無技術標準、無融資渠道的鴻溝和門檻；技術上也需要突破空間電場載體排除干擾和設備工作穩定性等問題。
經過13年的堅持，如今孫建華已經實現了生物感應系列產品的定型設計，不僅具有人體感應空間電場非接觸報警的穩定的物理性能，而且具有區別生物與非生物及小動物的智能，產品可隱蔽、可粘貼、可移動、可水下、可地下、可隨身攜帶布防，適應室內外全天候工作。這些突出的技術優勢和巨大的產業空白，使得孫建華和他的公司在很短的時間內，相繼開發成功金融、國防、軍事、監獄、航空、文物、電力、家庭等領域的生物感應智能安全防范系列產品，并已獲得了在相關領域成功應用的工程案例。
目前，孫建華的企業已成熟的核心技術包括“空間電場介質”為載體的“生物感應傳感器”及系列產品的軟件和硬件設計。已成熟的樣機更是多種多樣，有針對野外周界入侵報警的需求設計的“智能周界”，有針對臨時移動目標的“移動周界”，有針對門窗防盜報警的“便攜式伸縮隔離帶”，更有“智能語音一米線”、“智能不干膠紙”、“智能通道”、“智能門鎖裝置”、“語音地毯”等一系列能廣泛適用的生物感應智能安全防范系列產品，這些產品經過不斷地試驗、應用和反復改進，均已進入了產業化定型設計階段。
0 引言
虛擬現實 vr (virtual reality)是一種高度逼真的模擬人在 自然 環境 中的視 、聽、動等行為 的人機界面。 簡單地說，是一種可 以創建和體驗虛擬世界的 計算 機系統。虛擬現實技術是 20世紀末興起的一 門新的綜合性信息技術 ，它融合了計算機圖形學、多媒體技術 、人工智能、人機接口技術 、數字圖像處理 、 網絡 技術 、傳感器技術及高度并行的實時計算等技術，它不僅指那些戴著頭盔和手套的技術，而且還包括一切與之有關的具有 自然模擬、逼真體驗的技術和方法 ，它的根本目標就是達到真實體驗和基于 自然技能的人機交互。
工業設計是建立在 科學 技術基礎之上 ，以賦予工業產品 藝術 性為目的的一項感性思維和理性思維相互融合的工作。工業設計的程序有具體的方法和整體的戰略進行指導和支持，不同國家、不同時期面對不同的設計對象時，工業設計的程序與方法也是各不相同，大體上有以下幾種：創新設計法 、人機工程學法 、形態組構法 、系統設計方法 、caid方法 、價值工程與價值創新法、設計管理法等 。將虛擬現實技術引入工業設計中，在設計的各個階段利用虛擬數字模型方便快速地進行各種調查和試驗，可以取得適用面更廣、更接近真實狀態的試驗數據。同時，建立在實驗基礎上的產品設計工作將更具科學性和客觀性，給工業設計的方法論 以新的理念。
1 虛擬現實技術在國內外研究的現狀
1．1 國外的研究情況
隨著虛擬技術的不斷成熟與 發展 ，一些發達國家已經在很多領域 中應用了虛擬設計 ，也成立了許多與虛擬技術相關的實驗室、課題組，其中著名的有美 國貝卡羅來那大學(unc)的計算機系 ，其主要的研究課題是物理建模與仿真項目和建筑漫游項 目，此外還有美 國的密歇根大學虛擬現實實驗室，主要研究 vr在轎車車身設計中的應用以及虛擬現實技術在產品開發中的應用。瑞士蘇黎士理工大學計算機圖形實驗室主要的研究課題包括動畫與虛擬平臺、協同虛擬環境 (collaborative virturalenvironment)等。美國宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶現實技術和其它零部件研制出了虛擬飛行器，彌補了飛行模擬器成本過高的不足。美國麥道飛機公司采用沉浸式的虛擬現實系統進行新型號發動機的輔助設計。
1．2 國內的研究現狀
相對于國外虛擬設計的發展。國內虛擬技術的研究和應用還比較落后。自20世紀 80年代 vr技術開始起步以來，至今我國在 vr的基礎圖形技術領域 已經具備了堅實的基礎。據不完全統計，目前全國已有 34家科研機構、高等院校和 企業 正在開展虛擬制造技術的研究、開發及初步的示范應用工作 ，有 4家企業參與了這種新的探索，其主要的研究內容包括：① 產品的虛擬設計；② 熱加工工藝模擬；③加工過程、裝配過程的仿真；④ 虛擬軸機床和虛擬量儀的研制和開發；⑤虛擬企業?？傮w來看，我國虛擬制造技術的研究多數 是在原先的cad／cam 及仿真技術的基礎上進行，而系統 、全面的虛擬制造技術的研究尚未開展，還很少能將成熟的虛擬技術應用到實際開發中，尤其在產品的創新設計中，虛擬技術還未發揮出它應有的作用，應用水平遠落后于發達國家。由此來看，我國重視產品設計水平的提升，將虛擬技術應用到設計領域已成為當前國內產品開發的重要環節。
2 基于虛擬現實技術的工業設計方法
2．1 創新設計法
創新是工業設計 的靈魂所在。當代社會 經濟 條件下 ，市場產品沒有創新就猶如失去了靈魂，很難在競爭對手如林的市場上取得優勝。在當今全新 的經濟背景下，設計創新將引導消費、把握機遇，成為決定產品生命力的重要條件之一，以思維創新、行為創新、方式創新為核心的工業設計將在企業產品開發過程中扮演著舉足輕重的角色。如圖 1、2所示 ，在傳統 的工業設計中，人們一直沿用著平面 圖來表達設計思想。即使應用計算 機三維 軟件，最終也只能得到某個視角的立體效果圖，難以真實完整地表達 出設計者的意圖。而基于虛擬現實技術的工業設計方法將 以數字化的三維模型作為設計思想的載體，全面表達設計者的意圖。人們可以根據自己的需要任意放大、旋轉模型 ，主動索取信息，從而實現工業設 計由 面表達 向體表達 的突破 ，使設計師有更充裕 的時間來考慮設計的細節 問題這無疑對工業設計的方法創新帶來了革命性的沖擊如圖 3所示。
此外 ，虛擬現實技術與網絡技術的結合，將可以構建一個全新的開放式設計平臺，以三維數字化模型作為設計思想的載體 ，全面表達設計者的意圖。打破地域限制，實現用戶與設計 、開發人員的良好溝通和互動。
2．2 基于虛擬現實技術的產品人機工程分析
(1)人機工程學參數的采集與分析。傳統的人機工程學在參數的采集和分析中存在諸多問題：①采樣數量 、測量和數據分析的工作量均很大，且成本高 、周期長；②無法進行動態修訂；③缺乏對于企業具體產品的針對性；④參數多為二維模型。若在具體的采集和分析中使用三維掃描技術 (獲取靜態三維數據 )、 動作捕捉技術 (獲取動作特征數據)，即可生成虛擬被試三維動態數字模型 。這些數字模型在被更新前一直可以 “活在”虛擬現實技術平臺上，通過對虛擬被試三維動態數字模型的關鍵點控制 ，實現實時數據的不斷更新。 (2)虛擬人機工程設計與評價 。虛擬人機工程設計借助于虛擬樣機 (virtual prototype)系統進行設計 ，故也稱其為虛擬人機工程學環境。設計人員和不同技術背景的人可以直觀地觀察到各種虛擬人體三維數字模型的實時情況，精確研究產品的人機工程學參數 ，直接與設計的產品進行交互，并評價產品的性能。
在傳統產品設計的人機系統中，人是操作者 ，機器只是被動的反應 ，而在虛擬產 品設計的人機系統中，人成為主動參與者 ，復雜系統中可能有許多參與者共同在以計算機網絡系統為基礎的虛擬環境中協同工作。在基于人機工程的傳統產品設計中，人機分析和評價必須是在產品設計完成后的樣機模型中或者在試制的產品中進行．而在基于人機工程的虛擬產品設計中，人機設計分析評價又是在產品設計的過程中可以同時進行，也可與產品使用者進行各種實時的交互。
如圖 4所示．基于人機工程的傳統產品設計的人機評價是在樣品試制后才進行，若人機評價結果達不到要求 ，就需要進行重新設計 和樣 品試 制 ，再進行人機評價，這樣反復循環指導方能達到要求，這種評價方式既浪費時間又耗費資源。而圖 5基于人機工程的虛擬產品設計全過程采用協 同并行式，人機設計 、人機仿真和人機評價實現交互式。不需要樣品試制的過程 ，而且和虛擬加工 、虛擬制造形成并行 ，大大 的節省 了時 間和資原，也加快 企業 新產品的開發進程。
2.3形態組構法
有研究表明，“看”是人類五種感覺中最為重要的感覺，因此，形態與色彩在設計中占據著尤為關鍵的地位。嶄新符號的合理創造，依賴于深入觀察理解生活與 自然 形態，及隨后進行的創造性抽象思維活動。這里需要強調的是，通過對自然的學習、研究、分析，進一步升華創造出富有生命力的形態這一過程，必須遵循 科學 的研究方法與程序[5]。圖2所示的電錘，其頭部造型形成了電錘強勁的沖擊力，而整體的外形設計不僅有傳統電錘的風格，更有本款造型個性設計的明顯特征；錘前端典型的電錘圓鼓造型構成了錘的共有特征，但也被賦予了更明確的時尚個性，線條形式隨錘體輕微向外彎曲，以至前端產生運動感，海魚般的外形與原有造型相比更是有著大膽的突破，但那正體現了電錘靈活的運動特征。在采用虛擬現實技術進行本產品的造型設計時，設計師借助于freeform系統，依照科學的方法從虛擬立體的觀察和人機交互中不斷進行深入分析研究，見圖6，找出形態變化的一般 規律 ，使其在固有的限定條件下自如地進行聯想、抽象與創造，把思維與創造力帶入一個“美的自由王國”。
2.4設計管理法
一、前言
傳統榫卯工藝是傳統文化中的瑰寶[1]，在現代家具設計中迫切需要對其進行深入學習與研究。但是由于榫卯工藝結構復雜，在教學中此類物理教具制作困難，不能進行批量的機械化生產。并且內部榫卯結構不能通過物理教具直接觀察到，學習者不能直觀的理解其結構，這造成學習榫卯結構的過程非常困難[2]。針對榫卯工藝在研究過程中存在的此類問題，本文提出引入數字化設計中的新方法、新技術，將數字化仿真設計與榫卯工藝相結合，以“有束腰方凳”為例，進行虛擬仿真設計。利用仿真技術對榫卯結構進行數字化模型的構建，并利用虛擬裝配技術對其進行裝配和構建。這樣避免了物理教具的批量制造，降低教學成本，提升了教學效率，為榫卯結構的教學研究提供了一條新的思路，本文主要研究的是通過仿真模擬技術對傳統榫卯工藝進行研究及其數據庫的建立。
二、數字化仿真構建方法
1、數字化仿真技術含義
數字化仿真技術是以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗、整個生命周期的模擬和仿真。這樣可以在產品的設計階段就模擬出產品及其性能和制造過程，以此來優化產品的設計質量和制造過程。與傳統的工業設計相比，數字化設計技術在設計方法、設計過程、設計質量和效率等各方面都發生了質的變化，數字化工業設計將主要包括數字化建模，數字化裝配，數字化評價，數字化制造，以及數字化信息交換等幾方面。
2、數字化仿真設計流程
在現實家具榫卯工藝研究的方法是：把已有的家具進行拆解，對拆解后的榫卯結構進行測量、記錄與學習。而在Pro/E系統中，學習研究榫卯結構的方法是：首先通過對榫卯家具進行拆解，并對其結構進行精細測量；然后通過數字化設計技術，并采用數字化樣機來代替原來的物理原型，在數字狀態下進行仿真分析，對原設計進行裝配重組。這樣不需要實物原型，就可以讓更多的設計人員在不同時間不同的地點在計算機上進行榫卯結構的學習和研究。
三、數字化仿真實例
首先是建模平臺的選取，考慮到數據格式的通用性、三維模型建設的便捷性，以及數據管理方式的先進性，最終選用了軟件Pro/E作為三維建模平臺。對結構件和零件用軟件Pro/E進行建模來更直觀的展示傳統結構，以此來系統闡述榫卯結構制圖和模型制作的現代工藝流程。由于凳子是明清家具中最基本的單品，其結構也是桌、案、幾等家具的本源。本文將具有榫卯結構的束腰凳進行拆解，并對拆解后的結構進行仿真模擬。
1、定義初步產品結構
在進行詳細設計之前要對產品進行初步結構分析：首先采用自頂向下設計方法規劃出束腰凳的整體造型結構關系，即產品結構包含了一系列的子裝配件，以及它們所繼承的設計意圖。產品結構由各層次裝配和元件清單組成，在定義設計意圖時，有許多子裝配是預先確定下來的：比如對本例束腰凳進行結構分析，可以看到本例凳子一共使用了攢邊打槽裝板、抱肩榫、格肩榫這三種榫卯裝配結構。
2、數字化樣機詳細設計
在明確了設計意圖并定義了“有束腰凳”產品基本結構和框架前提下，將圍繞設計意圖和基本框架展開零件和子裝配的詳細設計。首先是子裝配件的確定，通過對基本框架的研究分析得出產品共分為三個子裝配體：攢邊打槽裝板結構子裝配體、抱肩榫結構子裝配體、格肩榫子裝配體。當子裝配體確定下來，設計基準傳遞下去之后，可以進行單個的零件設計。
2.1凳面榫卯結構仿真
從拆解圖二可以看出，凳面采用的是攢邊打槽裝板連接方式。我們將攢邊打槽裝板連接方式定義為子裝配件，在子裝配件下進行板心及邊框的詳細設計。趲邊打槽裝板的裝配結構是首先將板心裝納在四根邊框之中，然后將裝板的邊框裝配起來[3]。這種裝配結構的優點在于邊框伸縮性不大，使得整個家具的結構不至由于面板的脹縮而受影響，起到了穩定堅實的作用。
趲邊打槽裝板裝配結構定義完之后開始進行零部件的詳細設計，由圖四可以看出此裝配零部件由凳面的帶榫頭的兩根大邊和兩條帶榫眼的抹頭組成。這四根木框兩根長而出榫的叫“大邊”，兩根短而鑿眼的叫“抹頭”。經過以上分析，在Pro/E環境中建立這四根帶有榫卯結構的木框零部件。
2.2腿足的抱肩榫結構仿真
從圖三可以看出，凳面與腿足及其束腰采用的是抱肩榫連接方式，將抱肩榫連接方式定義為子裝配件，抱肩榫是束腰家具的腿足與束腰、牙條相結合時使用的榫卯結構。首先通過測繪獲得各種數據為基礎，在獲得詳細的數據基礎上，通過三維仿真建模技術，對抱肩榫結構進行子裝配件的建立。之后在子裝配件下進行牙條與腿足的詳細設計。通過對三維仿真模型的拆解可以看出來，抱肩榫子裝配件的詳細結構是在腿足上挖出肩，將牙條插掛在上面來固定四方的框架。同時掛銷進一步定位橫材和豎材，將面受到的壓力均勻傳遞到四足上，腿足上端的長短榫通過抹頭的插接固定了承重面。
2.3.腳檔的格肩榫模型仿真
通過下圖對束腰凳的拆解可以看出，數字化模型中腳檔與腿足的連接方式為格肩榫，將格肩榫裝配方式定義為子裝配體，然后分析其詳細零部件。本實例束腰凳的腿足是方形豎材，此家具用的是大格肩榫結構，肩部為尖角，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。詳細零部件構成為：格肩榫榫頭在中間，兩邊為榫肩，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。 齊頭碰在形式上有透榫。
3、數字化樣機虛擬裝配
假如在榫卯結構的物理教具裝配演示過程中，需要將裝配的各個零部件拿到裝配現場進行裝配[4]。而在Pro/E虛擬系統中，只需要在計算機屏幕上裝配零部件，查看和分析零件的配合情況，這樣可減少對物理樣機的依賴。
具體的虛擬裝配的方法是：首先是裝配建模體系結構的建立，根據有束腰凳裝配給定的功能要求和設計約束，先確定產品的大致組成和形狀，確定各組成零部件之間的裝配關系和約束關系。然后再把束腰凳分解成若干個零部件，在總體裝配關系的約束下，同步根據裝配關系對這些零部件進行設計。
其次是裝配體層次關系的定義，束腰凳的裝配體分解成不同層次的子裝配體，子裝配體又可分解成若干子裝配體和各個零件。通常將零件、子裝配體、裝配體之間的這種層次關系直觀地表示成裝配樹，樹的根節點是裝配體，子節點是組成裝配體的各個零件，中間節點則是子裝配體。裝配樹的的關系體現了實際形成裝配體的裝配順序，同時也表達了裝配體、子裝配體及零件之間的父、子從屬關系。圖6是有束腰凳的仿真裝配結果。
四、 結語
傳統榫卯結構是我國寶貴的傳統工藝非物質文化遺產，同時明式家具榫卯結構工藝也是當今學習榫卯結構的難點，所以有必要對傳統榫卯結構進行三維數字模型的仿真研究，使學習和掌握榫卯結構的過程更快捷。通過三維模型的仿真研究和實踐，探索出一套學習榫卯工藝的學習方法，為當今家具設計提供有益的參考，同時也促進了明式家具的深入研究，有助于傳統文化的廣泛傳播和發展。
本文為天津市高等學校人文社會科學研究一般項目資助 課題號：20112303
參考文獻
[1] 胡中艷，曹陽.中國古代家具設計的繼承與發展[J].包裝工程，2009，30（1）158-160
